Jak měřit vnitřní odpor baterie

Vnitřní odpor je jednou z nejdůležitějších vlastností baterie. Čím nižší je tento indikátor, tím větší proud může baterie dodat zátěži.

Pokud vezmete dvě baterie stejné kapacity s různým vnitřním odporem a vybijete je do zátěže o stejném výkonu, uvolní se při zátěži stejné množství energie. Část energie se uvolní v baterii ve formě tepla. Baterie s vyšším vnitřním odporem se více zahřeje a vydá méně energie. Při sestavování baterie je také důležité vybírat prvky podle vnitřního odporu a také kapacity, aby bylo dosaženo maximálně efektivního provozu.

Jak vnitřní odpor ovlivňuje výkon baterie.

Obvod baterie a rezistoru, jako na obrázku výše, pomůže vysvětlit, proč jsme zde.

Napeti baterky U=3,7 V, kapacita 3 Ah (pro zjednodušení výpočtů bude baterie produkovat stejné napětí po celou dobu vybíjení), odpor rezistoru Rload = 1 Ohm. Představme si, že jsou spojeny ideálními vodiči s nulovým odporem. Odpor ampérmetru je také nulový. Odpor voltmetru je nekonečně vysoký. To znamená, že ampérmetr, voltmetr a dráty nemají na náš obvod žádný vliv. Proud protéká pouze baterií a zátěží.

Podle Ohmova zákona musí být proud v obvodu I=U/RloadTo znamená, že 3,7/1 = 3,7A, ale ampérmetr bude ukazovat nižší proud, například 3 ampéry. Stalo se to kvůli skutečnosti, že v obvodu je další odpor – odpor baterie. Neexistují žádné ideální zdroje proudu, stejně jako ideální dráty, ampérmetry a další věci ve skutečnosti.

Tento odpor můžeme najít pomocí stejného Ohmova zákona:

Rin=U/I-Rload=3,7/3-1=0,23 Ohm

Nyní spočítejme, kolik energie se z baterie uvolní ve formě tepla za 1 hodinu (během této doby se zcela vybije):

P=I2 *Rin=3*3*0,23=2,07 W

Současně se na rezistoru objeví následující:

3*3*1=9 W, (a mohlo by to být, v případě ideální baterie – 3,7 * 3,7 * 1 = 13,69 W)

Celkový výkon na baterii a zátěži bude Pcelkem = 2,07 + 9 = 11,07 W

Vzhledem k tomu, že článek 18650 dokáže uchovat cca 9 – 12,5 W energie, z čehož 2 W poslouží na vytápění, se perspektiva využití ukazuje jako neatraktivní. Baterie se přehřeje. V reálných podmínkách je u baterie s tak vysokým vnitřním odporem čas vyřadit ji nebo ji vybít nízkým proudem. Například při vybíjení proudem 1A bude obraz o něco lepší:

P=I2 *Rin=1*1*0,23=0,23 W, při plném vybití (3A/h se spotřebuje za 3 hodiny) 0,23*3=0,69 W

Tento proud bude v obvodu se zátěžovým odporem Rload = 3,47 Ohm a při zátěži se uvolní více energie:

P=I2 *Rzátěž=1*1*3,47=3,47 W, za 3 hodiny – 3,47*3=10,41 W (místo 9 jako minule)

Celkově získáme stejný celkový výkon Pcelkem = 0,69 + 10,41 = 11,1 W (chyba 0,03 W byla způsobena zaokrouhlením ve výpočtech)

Proto je potřeba počítat s vnitřním odporem baterie a čím výkonnější zátěž, tím nižší by měla být pro efektivní a bezpečný provoz.

Realističtější odpory pro moderní středněproudé lithium-iontové baterie, například formát 18650, jsou asi 40 mOhm (miliohmů), pro vysokoproudé méně než 30 mOhm.

Měření vnitřního odporu.

Existuje několik metod měření vnitřního odporu. Dva z nich jsou uvedeny v GOST R IEC 61960-2007. Před měřením pomocí některé z níže uvedených metod musí být baterie plně nabitá. Testy se provádějí při teplotě 20±5ºC.

<strong>Měření vnitřního odporu metodou AC (a.c.)</strong>

Tato metoda měří impedanci, která se při 1000 Hz přibližně rovná odporu.

Elektrická impedance (komplexní elektrický odpor) (anglická impedance z latinského impedio „bránit“) – komplexní odpor mezi dvěma uzly obvodu nebo dvoukoncové sítě pro harmonický signál.

<strong>Popis metodiky z GOST</strong>

Po dobu jedné až pěti sekund měříme střední kvadraturu střídavého napětí Urms, ke kterému dochází, když baterií prochází střídavý proud o střední kvadratické hodnotě Irms s frekvencí 1000 Hz. Vnitřní odpor Ra.c., Ohm se vypočítá pomocí vzorce Ra.c.= Urms / Irms.

Irms (rms – Root Mean Square – střední kvadratická hodnota).

Střídavý proud musí mít takovou hodnotu, aby špičkové napětí nepřesáhlo 20 mV.

Tuto metodu je obtížné realizovat doma bez speciálního vybavení. Populární zařízení YR1035 dobře si poradí s měřením s přesností 0,01 mOhm. Nabíječky SKYRC MC3000 ,Opus BT-C3100V2.2, Liitokala Lii-500 také měřeno pomocí metody AC, ale s velmi průměrnou přesností.

<strong>Měření vnitřního odporu metodou stejnosměrného proudu (dc).</strong>

Tuto metodu lze provádět doma pomocí běžného voltmetru a ampérmetru a dvojice vhodných zatěžovacích odporů. Jako odpory je docela možné použít několik automobilových žárovek nebo improvizovaný odpor vyrobený z nichromového drátu.

<strong>Popis metody z GOST</strong>

• Akumulátor vybíjíme stejnosměrným proudem I1= 0,2 In. V desáté vteřině změříme hodnotu napětí U1 na svorkách baterie.
• Zvyšujeme vybíjecí proud na hodnotu I2=In. V další vteřině změříme hodnotu napětí U2 na svorkách baterie.

Vnitřní odpor Rd.c., Ohm se vypočítá pomocí vzorce Rd.c. = (U1-U2)/(I2-I1)

• I je jmenovitý vybíjecí proud baterie.

Obvod pro měření vnitřního odporu technikou stejnosměrného proudu (dc).

Odpory R1 a R2 jsou voleny tak, aby protékaly proudy I1 a I2 požadované velikosti. Musíte se zaměřit na jmenovitý vybíjecí proud baterie.

Voltmetr musí být připojen přímo na póly zdroje, aby se eliminoval vliv úbytku napětí na vodičích.

Co určuje vnitřní odpor baterií?

<strong>Výroba.</strong>

Zpočátku, ve fázi výroby baterie, je tento parametr samozřejmě součástí „receptu“. Článek může být buď výkonný a dodávat vysoký proud (nízký vnitřní odpor), nebo energeticky náročnější. Za předpokladu, že ostatní komponenty jsou stejné (elektrodové komponenty, chemie elektrolytů atd.), větší články vyžadují větší plochu desky. A aby se tato struktura vešla do poskytnutého objemu, je nutné tyto obklady ztenčit. A naopak. Tenké desky mají přirozeně větší odpor.

Vliv má také vzdálenost mezi elektrodami, tloušťka a látka jejich povlaku, tloušťka separátoru, chemismus elektrolytu a mnoho dalších faktorů. V důsledku výrobních vad se články vyrobené podle stejného „receptu“ mohou lišit vnitřním odporem, kapacitou, životností atd. Dlouhým a nevhodným skladováním na cestě ke spotřebiteli trpí i kvalita.

<strong>Vykořisťování.</strong>

Rin se mění v závislosti na stavu nabití baterie. Při nízké a vysoké úrovni nabití se zvyšuje v průměru – minimálně.

Teplota elektrolytu (čím je chladnější, tím vyšší je odpor). Při teplotách pod nulou většina lithium-iontových a lithium-polymerových článků zvýší svůj vnitřní odpor natolik, že se stanou nepoužitelnými. Fosforečnan lithný a titaničitan lithný se za takových podmínek chovají mnohem lépe.

Také během provozu, jak se prvek opotřebovává, se Rin zvýší.